中心議題：

• 基於ZigBee的智能家居安全監控係統設計

解決方案：

• 智能家居安全監控係統的硬件設計
• 隻能家居安全監控係統的軟件設計

為實現對家庭安全的實時監控，提出了智能家居遠程安全監控係統設計方案。係統基於ZigBee技術和GSM /GPRS網絡進行設計
，能夠通過彩信和短信發出監控圖像和報警信息
，接收遠程指令；同時引入了多種傳感器，實現了對家用電器的遠程控製，實現了智能家居遠程監控。重點闡述了係統的硬件、軟件設計以及係統的性能測試，實現了多個監控裝置的無線聯網。實驗結果表明，所設計的係統能夠實現安全
、便捷的智能家居遠程監控，並具有較高的可用性和可靠性。

0 前 言

智能家居又稱智能住宅

，正朝著具備無線遠程控製、多媒體控製
、高(gao)速(su)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)等(deng)功(gong)能(neng)的(de)方(fang)向(xiang)發(fa)展(zhan)
，其(qi)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)為(wei)兼(jian)容(rong)性(xing)強(qiang)的(de)家(jia)庭(ting)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)滿(man)足(zu)信(xin)息(xi)傳(chuan)輸(shu)需(xu)要(yao)的(de)家(jia)庭(ting)網(wang)絡(luo)。目(mu)前(qian)
，傳(chuan)輸(shu)網(wang)絡(luo)多(duo)采(cai)用(yong)綜(zong)合(he)布(bu)線(xian)技(ji)術(shu)
，限(xian)製(zhi)了(le)係(xi)統(tong)的(de)應(ying)用(yong)場(chang)所(suo)，而(er)且(qie)費(fei)用(yong)較(jiao)高(gao)。采(cai)用(yong)無(wu)線(xian)方(fang)式(shi)構(gou)建(jian)靈(ling)活(huo)便(bian)捷(jie)的(de)智(zhi)能(neng)家(jia)居(ju)安(an)全(quan)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)，成(cheng)為(wei)當(dang)前(qian)的(de)研(yan)究(jiu)熱(re)點(dian)。

目前，應用於智能家居的無線通信技術主要包括： Ir2DA紅外線技術、藍牙技術和ZigBee技術等。IrDA屬於短距離
、點對點的半雙工通信方式，使用不便且失誤率高，不適用於家庭的組網方式；藍牙技術則因為網絡容量有限
，成本較高，不適於節點較多的家居網絡應用。

本研究通過采用傳輸範圍適中、安全可靠
、網絡容量較大的ZigBee技術，設計智能家居遠程安全監控係統。

1 係統架構

1. 1 ZigBee網絡拓撲選型
ZigBee是一種近距離、低複雜度
、低功耗、低成本的雙向無線通信技術，主要適用於自動控製和遠程控製領域。IEEE802. 15. 4 是ZigBee技術的基礎，與高速率個人區域網
、藍牙或802. 11x無線局域網相比，ZigBee協議更為簡單實用。

ZigBee網絡的拓撲結構主要有3種：星型
、樹狀和網狀網絡。網狀網絡容錯能力高
、自適應力好、傳輸距離長，但其複雜度也最高；星型網絡具有簡潔和低功耗等特點，使用簡單
，適用於家庭的小規模
、低複雜度的應用；樹狀網絡則介於兩者之間。在智能家居中應用星型網絡
，可獲得較高的性價比。

1. 2 係統構成
本係統采用模塊化設計方案。以嵌入式係統主板為核心，通過CMOS攝像頭對關鍵部位進行安全監測，通過手機傳遞安全信息和圖像彩信，並對家用電器進行遠程控製
，利用ZigBee模塊實現家用電器
、係統主板和煙霧、溫度、煤氣等傳感器的無線聯網。

係統主板的核心控製器為S3C44B0X型32位微控製器，對數據進行處理和判別，並通過彩信模塊和Zig2Bee模塊發出信息和指令；擴展板用以接入煙霧、紅外
、煤氣等家庭安防狀態傳感器；彩信模塊將係統控製器所發出的家庭安防狀態信息發送至用戶手機
，並接收用戶發送的短信指令； ZigBee模塊負責係統主板、擴展板和家用電器之間的數據交聯。係統結構如圖1所示。

圖1 基於ZigBee的智能家居安全監控係統

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2 係統硬件設計

2. 1 串口攝像機
串口攝像機采用了優化的串行通訊協議
，支持分包傳輸，使主機可以配置更小的緩存

，同時提供了TTL電平和RS232 電平兩種輸出。通過串行通信實現與主機之間的指令和數據的傳輸，主機可對其進行波特率、圖像分辨率、發送方式等狀態參數的設定。

2. 2 彩信模塊設計
彩信模塊內置彩信協議
，是集SMS
、MMS於一體的GSM /GPRS模塊。它采用AT指令進行模塊控製，通過RS232接口進行控製命令和數據的傳輸。其內部集成600 KB 的Flash存儲空間，可供發送MMS信息時實現圖片的多張上傳。

2. 3 係統控製器
本係統采用32位R ISC處理器S3C44B0X,具有豐富的功能和外設，包括： 8 KB Cache
、內部SRAM、LCD控製器、2通道UART、4通道DMA、帶有PWM功能的5通道定時器等。該處理器在各方麵的性能均能滿足係統的需要
，並且在同類產品中的性價比也是較高的。

2. 4 ZigBee收發器件
本係統采用CC2430芯片作為ZigBee無線通信模塊。CC2430整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控製器。

CC2430集成了符合IEEE802. 15. 4 標準的2. 4GHz的RF無線電收發機，支持數字化的RSSI/LQ I,具有CSMA /CA功能和強大的DMA功能、電池監測和溫度感測功能，同時具有強大和靈活的開發工具。

2. 5 係統硬件接口設計
ZigBee模塊通過RS232 接口與係統主板通過串口進行通信
； ZigBee模塊之間以無線網絡的形式進行數據傳輸，其中與傳感器相連的ZigBee模塊利用其普通I/O端口作為傳感器信號的接收端口
；與家用電器相聯的ZigBee模塊通過繼電器控製家用電器的開關運行。係統硬件的接口設計與連接如圖2所示。

圖2 係統硬件接口設計

串口攝像機和彩信模塊使用RS232 接口與S3C44B0X處理器進行數據和指令的傳輸。

3 係統軟件設計

整個係統軟件開發采用模塊化設計方案
，具體可分為3個部分： ZigBee無線收發
、彩信及短信收發和圖像采集處理。

3. 1 ZigBee無線網絡的應用
無線通信的軟件設計主要包括：係統異常報警信號的傳輸和接收、ARM處理器和ZigBee模塊之間以及各ZigBee模塊之間的數據傳輸控製等， ZigBee無線通信模塊軟件流程圖如圖3所示。其中，根據在網絡中所處的層次，將ZigBee模塊設定為3個運行模式：

模式1.與係統主板相連。用來接收其他ZigBee模塊發送的報警信息和將主板給出的控製信息發送給其他ZigBee模塊，是主板與外部設備進行無線通信的核心樞紐。

模式2.通過繼電器與家用電器相連
，置於接收狀態。當接收到其他ZigBee模塊發送過來的控製指令時，控製家電執行相應的開關動作。

模式3.通過繼電器與傳感器相連，置於發送狀態。當ZigBee模塊接收到傳感器的報警信號時
，將報警信號發送給其他ZigBee模塊。
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模塊的模式可通過撥碼開關進行設定。不同模式的模塊負責各層間數據和指令的傳輸，構成了家庭安防局域網。

圖3 無線通信模塊的軟件流程

3. 2 彩信及短信的收發實現
彩信模塊可實現SMS和MMS的收發功能，通過AT指令進行控製。首先要進行模塊初始化配置，如設置接入點
、IP設定、設置MMS通信模式、設置服務器網址等。

Xmodem協議的開始標誌是文件接收方發出"NAK"字節，文件發送方在收到該信號後發送數據幀，雙方開始正常通信過程。基於Xmodem協議上傳圖片的流程如圖4所示。

圖4　發送文件流程

3. 3 異常狀態檢測
本係統能夠通過圖像方式
，對外人入侵、火災等室內異常情況進行自動判別。其智能性主要體現在：係統軟件能夠對環境狀態進行自學，從而能適應背景環境的變化
；對(dui)於(yu)臨(lin)界(jie)狀(zhuang)態(tai)，能(neng)夠(gou)自(zi)動(dong)啟(qi)動(dong)狀(zhuang)態(tai)跟(gen)蹤(zong)監(jian)控(kong)，通(tong)過(guo)多(duo)幅(fu)圖(tu)片(pian)獲(huo)得(de)準(zhun)確(que)的(de)判(pan)斷(duan)結(jie)果(guo)。以(yi)背(bei)景(jing)差(cha)分(fen)法(fa)和(he)幀(zhen)間(jian)差(cha)分(fen)法(fa)為(wei)基(ji)礎(chu)，采(cai)用(yong)了(le)動(dong)靜(jing)閾(yu)值(zhi)結(jie)合(he)法(fa)。整(zheng)個(ge)目(mu)標(biao)的(de)檢(jian)測(ce)過(guo)程(cheng)主(zhu)要(yao)包(bao)括(kuo)：圖像預處理
；量化函數運動檢測（或小目標運動跟蹤檢測） ; 異常情況判別及處理。
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當係統接收到攝像機傳送的新圖像後，首先進行預處理和去噪，以得到可以量化物體運動或異常區域的二值圖像
；然後進行異常狀態分析與判斷。係統采用兩種異常量化函數：基(ji)於(yu)全(quan)局(ju)的(de)位(wei)圖(tu)處(chu)理(li)和(he)抽(chou)查(zha)檢(jian)測(ce)處(chu)理(li)。然(ran)後(hou)，根(gen)據(ju)異(yi)常(chang)量(liang)化(hua)函(han)數(shu)指(zhi)標(biao)進(jin)行(xing)特(te)定(ding)的(de)後(hou)續(xu)操(cao)作(zuo)。若(ruo)需(xu)進(jin)入(ru)異(yi)常(chang)報(bao)警(jing)處(chu)理(li)程(cheng)序(xu)，則(ze)傳(chuan)送(song)報(bao)警(jing)信(xin)號(hao)
，發(fa)送(song)MMS信息
，並存儲當前視頻等；若需進入臨界異常跟蹤，則啟動臨界異常跟蹤程序；否則進行背景更換判定並等待獲取下一幅監控圖像。

4 係統測試及實驗數據分析

本係統采用運動目標檢測算法，實現對監視對象的圖像處理與異常判斷，占背景麵積8‰的小目標都能被係統識別。係統有效消除了因環境光線變化、背景微變、小目標漸進運動等因素引起的係統誤判。采用本係統軟、硬件進行入侵事件檢測，其實驗圖片及檢測效果如圖5所示。

圖5 入侵事件跟蹤檢測效果

為驗證ZigBee通信在智能家居安全監控係統中的性能

，測試了兩組性能指標：
①無障礙狀態下，隨著距離的增加，數據丟包率、接收功率和自由空間衰減的變化情況；
②數據傳輸距離為30 m時，隨著障礙物增加而產生的丟包率；實驗數據分別如表1

、表2所示。

接收功率根據CC2430芯片內建的RSSI （接收信號強度指示） 測得， RSSI的值存放在寄存器RSSIL.

RSSI_VAL中，其與接收功率的對應關係如下：
P =RSSI_VAL +RSSI_OFFSET[ dBm ].
其中， RSSI_OFFSET是經驗取值，約為- 45 dB.

表1 無障礙物時的測試數據

表2 存在障礙時的30 m距離測試數據

實驗結果表明
，在無障礙物傳輸距離為80 m以內時，傳輸數據的丟包率低於1%,能夠充分滿足正常家居環境的通信需要，而且接收功率很低，非常適合家庭的使用； ZigBee模塊之間通信傳輸距離為30 m時，穿過2堵水泥牆的丟包率僅為1%，穿過1堵水泥牆時丟包率為0% ,完全能夠滿足係統設計的要求。

5 結束語

本研究提出並設計完成一種基於ZigBee的智能家居安全監控係統，分別從係統功能介紹、硬件設計
、軟件設計、實驗數據分析等方麵分析了ZigBee技術在該係統中的應用。將ZigBee技術應用於智能家居中，實現了快速率
、低成本、低功耗的無線網絡通信。通過將傳統傳感器報警係統和圖像監控係統相結合，形成了新型的智能安防係統。用戶可以通過手機或PC機接收MMS信息，根據需要進行遠程手機設定，從而實現靈活、便捷的家庭安全監控。